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MÓDULO II B:
Tipos de Tiristores
Héctor R. Rosales M., Profesor
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
UNIVERSIDAD
TECNOLÓGICA
DE PANAMÁ
Tiristores de Control de Fase
• Por lo general opera a la frecuencia de
línea y se desactiva por conmutación
natural.
• Posee tiempos de desactivación, tq,
entre 50 y 100 µseg.
• Útil para aplicaciones de baja velocidad
de conmutación.
• Este tiristor es conocido como un
Rectificador Controlado de Silicio (SCR)
• Son activados mediante una señal
positiva en la compuerta.
Símbolo de un SCR
Rectificador Controlado de Silicio - SCR
• Un SCR posee tres terminales
básicamente: Ánodo (A), Cátodo (K) y
Compuerta (G).
• En un SCR el voltaje en estado activo,
VT, varía entre 1.15V para dispositivos
de 600V y 2.5V para dispositivos 4000V.
• Para un tiristor de 5500A y 1200V, VT es
típicamente 1.25V.
Encapsulados del SCR CS 19
FORMAS DE ONDA DEL SCR
• Ángulo de disparo (retardo): Es el
número de grados en un ciclo de CA
que transcurren antes que el SCR se
encienda (active).
• Ángulo de conducción: Es el número
de grados de un ciclo de CA, durante
los cuales el SCR está encendido
(activo).
• El ángulo de disparo más el ángulo de
conducción siempre sumarán 180º.
Formas de onda que muestran el ángulo
de disparo y el ángulo de conducción.
FORMAS DE ONDA DEL SCR
• Ángulo de disparo (retardo de
disparo): 60º
Formas de onda que muestran el ángulo
de disparo de 60º
FORMAS DE ONDA DEL SCR
• Ángulo de disparo (retardo de
disparo): 135º
Formas de onda que muestran el ángulo
de disparo de 135º
FORMAS DE ONDA DEL SCR
EJEMPLO 1
• PLANTEAMIENTO: Si el Ángulo de conducción de un SCR es de 90º y
es conveniente duplicar la corriente promedio ¿Qué nuevo ángulo
de conducción será necesario? La alimentación es una onda senoidal
de CA.
• SOLUCIÓN: 180º. En este caso, la duplicación del ángulo de
conducción duplicará la corriente de carga promedio, debido a que
los primeros 90º de la onda de conducción son una imagen de los
segundos 90º. Es importante señalar que, en general, no es verdad
que la duplicación del ángulo de conducción duplicará la corriente
promedio.
CARACTERÍSTICAS DE COMPUERTA DE UN SCR
• Una vez que el SCR entra al estado
activo, no es necesario continuar el flujo
de corriente de compuerta.
• Mientras la corriente de ánodo a cátodo
continúe, el SCR permanecerá activo.
• Cuando la corriente de ánodo a cátodo
(iAK) cae por debajo de su valor mínimo,
llamada corriente de sostenimiento
(iHO), el SCR se apagará. Para muchos
SCR de tamaño mediano, esta corriente
es aproximadamente 10 mA.
Voltaje y corriente de compuerta.
CARACTERÍSTICAS DE COMPUERTA DE UN SCR
EJEMPLO 2
PLANTEAMIENTO: Para el circuito mostrado, ¿Qué
voltaje se requiere en el punto X para disparar al SCR?
SOLUCIÓN: El voltaje entre el punto X y el cátodo
debe ser suficiente para polarizar directamente la
unión entre G y K, y también ocasionar que 20 mA
fluyan a través de los 150 ohmios.
El voltaje de polarización directa es de cerca de 0.7V.
Con base a la Ley de Ohm VXG=20mA*150 ohm=
3.0V. Por tanto, el voltaje total es de:
3.0V + 0.7V = 3.7 V.
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
Circuito de disparo
• En este circuito la misma fuente
de voltaje alimenta tanto al
circuito de control de compuerta
como a la carga.
• El ángulo de disparo lo determina
el resistor variable R2.
• Una desventaja es que el ángulo
de retardo de disparo sólo se
puede ajustar entre 0º y 90º.
SCR
Rcarga
R1
SW
V1
R2
50 %
Circuito de disparo de compuerta
básico para un SCR.
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
Formas de ondas
(a) Con un valor de R2 alto, la
corriente de compuerta en el
SCR es baja, lo que produce
un ángulo de retardo de
disparo poco menor a 90º.
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
Formas de ondas
(b) Con un valor de R2 bajo, la
corriente de compuerta en el
SCR es alta, lo que produce un
ángulo de retardo de disparo
poco mayor a 0º.
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
EJEMPLO 3
PLANTEAMIENTO: Para el
circuito de disparo de
compuerta mostrado,
asuma que la alimentación
es de 120 Vrms, IGT=15 mA
y R1=3 KΩ. Se pretende que
el ángulo de retardo de
disparo sea de 90º ¿A qué
valor se debe ajustar R2?
SCR
Rcarga
3kΩ
R1
SW
V1
120Vrms
60Hz
0°
R2
50 %
IGT=15 mA
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
SOLUCIÓN
A 90º el voltaje de alimentación instantáneo es de:
(120V)(1.41)= 170 V
Sin considerar la caída de voltaje de 0.7 V a través de la unión compuerta-
cátodo, la resistencia total en la terminal de la compuerta está dada por:
(170 V)/(15 mA) = 11.33 KΩ
Por tanto:
R2 = 11.33 KΩ – 3 KΩ = 8.33 KΩ
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
SOLUCIÓN
A 90º el voltaje de alimentación instantáneo es de:
(120V)(1.41)= 170 V
Sin considerar la caída de voltaje de 0.7 V a través de la unión compuerta-
cátodo, la resistencia total en la terminal de la compuerta está dada por:
(170 V)/(15 mA) = 11.33 KΩ
Por tanto:
R2 = 11.33 KΩ – 3 KΩ = 8.33 KΩ
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
CIRCUITO CON CAPACITOR PARA DETARDO DE DISPARO
• Este método mejora el
control de compuerta
mediante la inclusión de
un capacitor.
• Su mejora radica en que
el ángulo de retardo de
disparo de puede ajustar
mas allá de los 90º.
SCR
Rcarga
R1
V1 R2
50 %
C1
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
CIRCUITOS CON CAPACITOR PARA RETARDO DE DISPARO MEJORADOS
Para aplicaciones con 60 Hz, la constante de tiempo del circuito RC debe
caer en el rango de 1ms a 30 ms. Es decir, en el circuito (a) el producto
(R1+R2)C1 debe estar entre 1 ms y 30 ms, del mismo modo la doble
constante de tiempo del circuito (b) (R1+R2)C1 y R3C2
SCR
Rcarga
R1
V1 R2
50 %
C1
R3
D1
SCR
Rcarga
R1
V1 R2
50 %
C1
R3
D1
C2
(a) (b)
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
CIRCUITO CON DISPOSITIVO DE TRANSICIÓN CONDUCTIVA
• Los circuitos de control de compuerta vistos hasta el momento
presentan algunas desventajas:
• Dependencia de la temperatura.
• Comportamiento de disparo inconstante entre SCR del mismo tipo.
• Para eliminar esas
desventajas se utiliza el diodo
de cuatro capas, conocido
también como Diac.
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
CIRCUITO CON DISPOSITIVO DE TRANSICIÓN CONDUCTIVA
• El Diac proporciona constancia de
comportamiento de disparo y reduce la
dependencia del circuito de la
temperatura.
• Existen otros dispositivos utilizados para
realizar esta misma función con el SCR:
• El Interruptor Unilateral de Silicio
(SUS).
• El Interruptor Bilateral del Silicio.
• El Transistor Mono Unión (UJT)
SCR
Rcarga
R1
V1 R2
50 %
C1
DIAC
CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA
CIRCUITO CON DISPOSITIVO DE TRANSICIÓN CONDUCTIVA
• Voltajes de transición conductiva de diversos modelos de DIAC.
SCR EN CIRCUITOS DC
• Un SCR utilizado en un circuito de CD, el apagado automático no ocurre,
debido a que el voltaje de alimentación no cruza por cero.
• Se deben utilizar otros métodos para detener la corriente principal en las
terminales del SCR; es decir, reducirla por debajo de la corriente de
sostenimiento (IHO)
APLICACIONES CON EL SCR
1. Un interruptor estático.
2. Un sistema de control de fase.
3. Un cargador de baterías.
4. Un controlador de temperatura.
5. Sistema de iluminación de emergencia con una sola fuente.
TRIODO DE CORRIENTE ALTERNA (TRIAC)
• Un TRIAC es un dispositivo
de tres terminales usado
para controlar la corriente
promedio que fluye a una
carga, en cualquier dirección,
cuando está en ENCENDIDO.
TRIAC: TEORÍA Y OPERACIÓN
• Cuando el TRIAC está APAGADO, no fluye corriente
entre las terminales principales sin importar la polaridad
del voltaje aplicado externamente. En consecuencia el
TRIAC actúa como un interruptor abierto.
• Cuando el TRIAC está ENCENDIDO, existe una ruta de
flujo de corriente de baja resistencia de una terminal
hacia la otra, con la dirección del flujo dependiendo de la
polaridad del voltaje externamente aplicado.
• Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente
fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje es más positivo en
MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2. En cualquier caso el
TRIAC actúa como un interruptor cerrado.
TRIAC: TEORÍA Y OPERACIÓN
• Un TRIAC se coloca en serie con la carga justo como un SCR.
• La corriente promedio suministrada a la carga se puede
variar mediante el cambio de la cantidad de tiempo por ciclo
que el TRIAC permanece en su estado ENCENDIDO.
• Un TRIAC no está limitado a 180° de conducción por
ciclo. Con la distribución de disparo apropiada, puede
conducir durante 360° completos por ciclo.
• Los TRIAC tienen las siguientes ventajas sobre los
interruptores mecánicos: No tienen rebote de contacto, no
forman arcos a través de contactos parcialmente abiertos, y
operan mucho más rápido que los conmutadores
mecánicos, por tanto producen un control de corriente más
preciso.
TRIAC: FORMAS DE ONDAS
• Esta forma de onda muestra el
TRIAC APAGADO durante los
primeros 30° de cada medio ciclo;
durante estos 30° el TRIAC actúa
como un interruptor abierto.
• La parte del medio ciclo durante
el cual esta situación existe se
denomina ángulo de retardo de
disparo, similar a un SCR.
TRIAC: FORMAS DE ONDAS
• Después de que han transcurrido 30°, el TRIAC
se dispara, y se vuelve como un interruptor
cerrado.
• En este instante el TRIAC comienza a conducir
corriente a través de sus terminales principales y
de la carga.
• La parte del medio ciclo durante la cual el
TRIAC se enciende se denomina ángulo de
conducción. El ángulo de conducción en la
figura es de 150°.
TRIAC: FORMAS DE ONDAS
• Esta figura muestra las mismas formas de
onda pero con con un ángulo de retardo
de disparo más amplio
• El ángulo de retardo es de 120° y el ángulo
de conducción es de 60°.
• Dado que la corriente fluye durante una
menor parte del ciclo total en este caso, la
corriente promedio será menor que lo que
fue para la condición anterior.
• Por tanto, se transfiere menos potencia de
la fuente a la carga.
TRIAC: FORMAS DE ONDAS
• Los TRIAC, como los SCR y como la mayoría de
los demás dispositivos semiconductores,
muestran variaciones notoriamente amplias en
sus características eléctricas.
• Este problema es en especial evidente con los
TRIAC debido a que a menudo sucede que los
requerimientos de disparo son distintos para
las dos polaridades diferentes de voltaje de
alimentación.
• Esta forma de onda de TRIAC muestra un ángulo
de retardo más pequeño en el medio ciclo
positivo que en el medio ciclo negativo, debido
a la tendencia del TRIAC de dispararse más
fácilmente en el medio ciclo positivo.
TRIAC: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
• Cuando un TRIAC está polarizado con un voltaje
externo más positivo en MT2 (llamada polarización
de terminal principal directa o positiva), por lo
general se activa mediante un flujo de corriente de la
compuerta hacia MT1.
• La terminal G es positiva con respecto a MT1, lo que
ocasiona que la corriente de disparo fluya hacia el
interior del dispositivo en la terminal de compuerta y
hacia fuera del dispositivo en la terminal MT1.
• El voltaje y la corriente de compuerta necesario para
disparar un TRIAC se simboliza como VGT e IGT. La
mayoría de los TRIAC de tamaño medio tienen un VGT
aproximado de 0.6 a 2.0 V y una IGT de 0.1 a 20 mA.
TRIAC: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
• Cuando el TRIAC está polarizado más
positivamente en MT1 (llamada polarización
inversa o negativa de terminal principal)
el disparo se logra enviando la corriente de
compuerta al interior del TRIAC en la terminal
MT1 y fuera del TRIAC en la terminal G.
• El voltaje de compuerta será negativo con
respecto a MT1
• Al igual que un SCR, un TRIAC no requiere una
corriente de compuerta continua una vez que ha
sido disparado.
TRIAC: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS
Otras características eléctricas del TRIAC:
• La corriente rms de terminal principal máxima permitida (ITrms).
• Para muchos fabricantes la secuencia disponible de valores nominales ITrms
es 1, 3, 6 , 10, 15 y 25 A.
• El voltaje de rompimiento (VDROM)
• Es el voltaje pico de terminal principal más alto que el TRIAC puede
bloquear en cualquier dirección.
• El TRIAC debe tener un valor nominal VDROM mayor que el voltaje pico del
voltaje CA que acciona el circuito.
• Los valores nominales más populares de VDROM para los TRIAC son 100,
200, 400 y 600 V.
• Voltaje de estado encendido a través de las terminales principales (VTM)
• Por lo general este valor oscila entre 1 y 2 V.
TRIAC: MÉTODOS DE DISPARO
Circuito simple RC de
control de compuerta
TRIAC
Rcarga
R1
V1
120Vrms
60Hz
0°
R2
50 %
C1
R3
El ritmo de carga del capacitor C se
establece por medio de R2. Para una
R2 grande, la velocidad de carga es
lenta, lo que produce un retardo de
disparo largo y una corriente de carga
promedio pequeña.
Para una R2 pequeña, la velocidad de
carga es rápida, el ángulo de retardo
de disparo es pequeño y la corriente de
carga es alta.
TRIAC: MÉTODOS DE DISPARO
Circuito RC de control de
compuerta mejorado
Como se aplicaba a los circuitos
disparadores de SCR, una sola red
RC no puede retardar mucho el
disparo de TRIAC después de 90°.
Para establecer un ajuste más
amplio del rango del ángulo de
retardo, la doble red RC mostrado
en la figura se utiliza a menudo.
TRIAC
Rcarga
R1
V1
120Vrms
60Hz
0°
R2
50 %
C1
R3
C2
R4
TRIAC: APLICACIONES
• Como control de intensidad de iluminación.
• Control de velocidad de motores a baja potencia.
• Control de encendido y apagado de motores a baja potencia.
• Control de electrodomésticos.
• Control de temperatura, control de iluminación, control de fase,
interruptor AC de potencia, otros.
TRIAC: HOJA DE DATOS TÉCNICOS
• TRIAC BT136-600E.
• TRIAC TG35F.
TRIAC: CONTROL DE POTENCIA EN AC
Esquemático que describe el control de una lámpara de 120 VAC mediante un TRIAC BT136-600.
TRIAC
BT136-600
R1
50Ω
MOC
3021
1
Vs
120Vrms
60Hz
0°
Lámpara 120 VAC
2
6
4
ESP32
23
GND
R2
470Ω
TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO)
• Puede activarse mediante la aplicación
de una señal positiva de compuerta
(pulso positivo corto); sin embargo, se
puede desactivar por una señal
negativa de compuerta (pulso
negativo corto).
• Es un dispositivo de enganche, por lo
que se puede construir con
especificaciones de corriente y voltaje
similar a las de un SCR.
TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO)
VENTAJAS DEL GTO SOBRE EL SCR
• Eliminación de los componentes auxiliares
en la conmutación forzada, que da como
resultado una reducción de costo, peso y
volumen.
• Reducción del ruido acústico y
electromagnético debido a la eliminación de
bobinas de inducción en la conmutación.
• Una desactivación más rápida, que permite
frecuencias de conmutación más altas.
• Una eficiencia mejorada de los inversores
TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO)
VENTAJAS DEL GTO SOBRE EL TRANSISTOR
• Mayor capacidad de voltaje de bloqueo.
• Relación alta de corriente pico controlable a
corriente promedio.
• Una relación alta de corriente de pulsación
pico a corriente promedio, típicamente 10:1
• Alta ganancia en estado activo (corriente de
ánodo entre corriente de compuerta)
típicamente 600.
• Una señal de compuerta pulsada de corta
duración.
TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO)
OTRAS CARACTERÍSTICAS DE GTO
• El voltaje en estado activo de un GTO de 550 A
1200 V es entre 3 y 4 V.
• La corriente pico en estado activo controlable ITGQ
es el pico de la corriente activa que puede
desconectarse por control de compuerta.
• El voltaje en estado desactivado de un GTO se
reaplica en forma inmediata después de la
desactivación y el dv/dt reaplicado se limita
únicamente a la capacitancia del circuito de frenado.
TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO)
GTO 160 PFT
Diseñado para control
de potencia, como:
• UPS
• Controlador de
velocidad variable
de motores AC.
• 160 A de corriente
promedio.
• Máximo tiempo de
apagado de 8 µseg.
RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO ACTIVADOS POR LUZ
CARACTERÍSTICAS DEL LASCR
• Se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio sensible
a la luz.
• Con la luz incidente crea los pares huecos que producen la corriente
de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico.
• La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar suficiente
sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes de luz práctica como
el LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt.
(a) Construcción básica de un LASCR (b) Símbolos de un LASCR
RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO ACTIVADO POR LUZ
RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO ACTIVADOS POR LUZ
CARACTERÍSTICAS DEL LASCR
• Se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente:
• Transmisión de CD de alto voltaje (HVDC).
• Compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes
reactivo (VAR).
• Provee de un total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo
luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertido de
potencia, que flota a un potencia tan alto como unos cuantos cientos
de Kilovoltios.
• Pueden llegar a especificaciones de voltaje de 4,000 voltios a 1500
amperios, con una potencia de disparo luminosa de menos de 100 mV.
TIRISTOR CONTROLADO POR FET
CARACTERÍSTICAS DEL FET-CTH
• Estos dispositivos combinan un MOSFET y un tiristor en paralelo.
• Si la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, (3V), se
genera internamente una corriente de disparo para el tiristor.
• Tiene una alta velocidad de conmutación, un dv/dt alto y un di/dt alto.
• Se puede activar por compuerta, pero no es posible desactivarlo por
este mismo método.
• Se utiliza cuando es necesario un aislamiento óptico entre la señal de
control y el dispositivo convertidor de potencia.
TIRISTOR CONTROLADO POR MOS (MCT)
CARACTERÍSTICAS DEL MOS
• Combina las características
de un tiristor regenerativo de
cuatro capas y una estructura
de compuertas MOS.
TIRISTOR CONTROLADO POR MOS (MCT)
CARACTERÍSTICAS DEL MOS
• Este dispositivo puede operar como dispositivo operado
por compuerta, si su corriente es menor que su corriente
controlable pico.
• Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su
corriente controlable pico, puede provocar la destrucción
del dispositivo.
• Para valores mas altos de corriente, el MCT debe ser
conmutado como un SCR estándar.
CIRCUITOS DE EXITACIÓN DEL TIRISTOR
• Los Tiristores solo requieren de una
corriente de puerta momentánea
para poner el dispositivo en
conducción.
• Los niveles de tensión de un
circuito con tiristor pueden ser muy
elevados, lo que requiere un
aislamiento entre el circuito de
excitación y el dispositivo.
• Este aislamiento eléctrico se
consigue mediante un acoplamiento
magnético u óptico. Circuito de excitación de tiristor
acoplado magnéticamente.
CIRCUITOS DE EXITACIÓN DEL TIRISTOR
• El circuito de excitación de puerta simple
mostrado en el esquema se puede utilizar en
aplicaciones donde no se requiere aislamiento
eléctrico.
• .El circuito es un controlador de tensión
monofásico, similar a un regulador de intensidad
luminosa comercial.
• El Triac se podría cambiar por un SCR, para
formar un rectificador controlado de media onda.
• El ángulo de retardo se controla por medio del
circuito RC y cuando el valor de la tensión en el
Diac llega a un valor especificado, comienza a
conducir y dispara al Triac.
Circuito de excitación R-
C simple con Diac,
para un Triac.
CIRCUITOS DE PRTECCIÓN PARA EL TIRISTOR
• El objeto de un circuito de protección para un
Tiristor, es proteger el dispositivo de las elevadas
velocidades de variación de la tensión ánodo-
cátodo y de la corriente de ánodo.
• Si dv/dt en el Tiristor es demasiado grande, el
dispositivo comienza a conducir sin que haya una
señal de puerta.
• Si di/dt es demasiado elevada durante la entrada
de conducción, habrá un calentamiento en el
Tiristor.
• La inductancia serie en un circuito de protección,
limita el valor di/dt y la conexión R-C paralelo
limita el dv/dt.
Circuito de protección
de un Tiristor
DISPOSITIVOS UTILIZADOS PARA DISPARAR TIRISTORES
• Interruptor bilateral de silicio (SBS): Dispositivo utilizado
para disparar el TRIAC.
• Interruptor unilateral de silicio (SUS): Dispositivo utilizado
para disparar tiristores de forma unidireccional (El SCR
como ejemplo).
• Transistor de Uni Juntura (UJT): Dispositivo utilizado para
disparar el TRIAC.
• Diodo para corriente alterna (Diac): Dispositivo utilizado
para disparar el TRIAC.
CONSIDERACIONES FINALES DE LOS TIRISTORES
• Hay 13 tipos de tiristores. Solamente los GTO, SITH, MTO, ETO, IGCT y MCT
son dispositivos apagados por compuerta.
• Cada tipo tiene sus ventajas y sus desventajas.
• Las características de los tiristores prácticos difieren significativamente de
las de los dispositivos ideales.
• Aunque hay varias formas de encender tiristores, el control de compuerta
es el más práctico.
• Debido a las capacitancias de unión y el límite de encendido, los tiristores
deben estar protegidos contra fallas por di/dt y dv/dt altas.
• Por lo común se utiliza una red amortiguadora como protección contra
dv/dt alta.
CONSIDERACIONES FINALES DE LOS TIRISTORES
• Debido a la carga recuperada, parte de energía se almacena en la di/dt y
en los inductores parásitos; los dispositivos deben estar protegidos contra
esta energía almacenada.
• Las pérdidas por conmutación de los GTO son mucho más altas que las de
los SCR normales.
• Los componentes amortiguadores de los GTO son críticos para su
desempeño.
• Se necesita una forma de aislamiento entre el circuito de potencia y los
circuitos de compuerta.
• El aislamiento con un transformador de pulsos es sencillo pero efectivo.
• Para cargas inductivas, un tren de pulsos reduce la pérdida del tiristor y
normalmente se utiliza para controlar tiristores en lugar de un pulso
continuo.

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EP-2025-MÓDULO-II-B funcionamiento de de

  • 1. MÓDULO II B: Tipos de Tiristores Héctor R. Rosales M., Profesor ELECTRÓNICA DE POTENCIA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ
  • 2. Tiristores de Control de Fase • Por lo general opera a la frecuencia de línea y se desactiva por conmutación natural. • Posee tiempos de desactivación, tq, entre 50 y 100 µseg. • Útil para aplicaciones de baja velocidad de conmutación. • Este tiristor es conocido como un Rectificador Controlado de Silicio (SCR) • Son activados mediante una señal positiva en la compuerta. Símbolo de un SCR
  • 3. Rectificador Controlado de Silicio - SCR • Un SCR posee tres terminales básicamente: Ánodo (A), Cátodo (K) y Compuerta (G). • En un SCR el voltaje en estado activo, VT, varía entre 1.15V para dispositivos de 600V y 2.5V para dispositivos 4000V. • Para un tiristor de 5500A y 1200V, VT es típicamente 1.25V. Encapsulados del SCR CS 19
  • 4. FORMAS DE ONDA DEL SCR • Ángulo de disparo (retardo): Es el número de grados en un ciclo de CA que transcurren antes que el SCR se encienda (active). • Ángulo de conducción: Es el número de grados de un ciclo de CA, durante los cuales el SCR está encendido (activo). • El ángulo de disparo más el ángulo de conducción siempre sumarán 180º. Formas de onda que muestran el ángulo de disparo y el ángulo de conducción.
  • 5. FORMAS DE ONDA DEL SCR • Ángulo de disparo (retardo de disparo): 60º Formas de onda que muestran el ángulo de disparo de 60º
  • 6. FORMAS DE ONDA DEL SCR • Ángulo de disparo (retardo de disparo): 135º Formas de onda que muestran el ángulo de disparo de 135º
  • 7. FORMAS DE ONDA DEL SCR EJEMPLO 1 • PLANTEAMIENTO: Si el Ángulo de conducción de un SCR es de 90º y es conveniente duplicar la corriente promedio ¿Qué nuevo ángulo de conducción será necesario? La alimentación es una onda senoidal de CA. • SOLUCIÓN: 180º. En este caso, la duplicación del ángulo de conducción duplicará la corriente de carga promedio, debido a que los primeros 90º de la onda de conducción son una imagen de los segundos 90º. Es importante señalar que, en general, no es verdad que la duplicación del ángulo de conducción duplicará la corriente promedio.
  • 8. CARACTERÍSTICAS DE COMPUERTA DE UN SCR • Una vez que el SCR entra al estado activo, no es necesario continuar el flujo de corriente de compuerta. • Mientras la corriente de ánodo a cátodo continúe, el SCR permanecerá activo. • Cuando la corriente de ánodo a cátodo (iAK) cae por debajo de su valor mínimo, llamada corriente de sostenimiento (iHO), el SCR se apagará. Para muchos SCR de tamaño mediano, esta corriente es aproximadamente 10 mA. Voltaje y corriente de compuerta.
  • 9. CARACTERÍSTICAS DE COMPUERTA DE UN SCR EJEMPLO 2 PLANTEAMIENTO: Para el circuito mostrado, ¿Qué voltaje se requiere en el punto X para disparar al SCR? SOLUCIÓN: El voltaje entre el punto X y el cátodo debe ser suficiente para polarizar directamente la unión entre G y K, y también ocasionar que 20 mA fluyan a través de los 150 ohmios. El voltaje de polarización directa es de cerca de 0.7V. Con base a la Ley de Ohm VXG=20mA*150 ohm= 3.0V. Por tanto, el voltaje total es de: 3.0V + 0.7V = 3.7 V.
  • 10. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA Circuito de disparo • En este circuito la misma fuente de voltaje alimenta tanto al circuito de control de compuerta como a la carga. • El ángulo de disparo lo determina el resistor variable R2. • Una desventaja es que el ángulo de retardo de disparo sólo se puede ajustar entre 0º y 90º. SCR Rcarga R1 SW V1 R2 50 % Circuito de disparo de compuerta básico para un SCR.
  • 11. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA Formas de ondas (a) Con un valor de R2 alto, la corriente de compuerta en el SCR es baja, lo que produce un ángulo de retardo de disparo poco menor a 90º.
  • 12. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA Formas de ondas (b) Con un valor de R2 bajo, la corriente de compuerta en el SCR es alta, lo que produce un ángulo de retardo de disparo poco mayor a 0º.
  • 13. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA EJEMPLO 3 PLANTEAMIENTO: Para el circuito de disparo de compuerta mostrado, asuma que la alimentación es de 120 Vrms, IGT=15 mA y R1=3 KΩ. Se pretende que el ángulo de retardo de disparo sea de 90º ¿A qué valor se debe ajustar R2? SCR Rcarga 3kΩ R1 SW V1 120Vrms 60Hz 0° R2 50 % IGT=15 mA
  • 14. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA SOLUCIÓN A 90º el voltaje de alimentación instantáneo es de: (120V)(1.41)= 170 V Sin considerar la caída de voltaje de 0.7 V a través de la unión compuerta- cátodo, la resistencia total en la terminal de la compuerta está dada por: (170 V)/(15 mA) = 11.33 KΩ Por tanto: R2 = 11.33 KΩ – 3 KΩ = 8.33 KΩ
  • 15. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA SOLUCIÓN A 90º el voltaje de alimentación instantáneo es de: (120V)(1.41)= 170 V Sin considerar la caída de voltaje de 0.7 V a través de la unión compuerta- cátodo, la resistencia total en la terminal de la compuerta está dada por: (170 V)/(15 mA) = 11.33 KΩ Por tanto: R2 = 11.33 KΩ – 3 KΩ = 8.33 KΩ
  • 16. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA CIRCUITO CON CAPACITOR PARA DETARDO DE DISPARO • Este método mejora el control de compuerta mediante la inclusión de un capacitor. • Su mejora radica en que el ángulo de retardo de disparo de puede ajustar mas allá de los 90º. SCR Rcarga R1 V1 R2 50 % C1
  • 17. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA CIRCUITOS CON CAPACITOR PARA RETARDO DE DISPARO MEJORADOS Para aplicaciones con 60 Hz, la constante de tiempo del circuito RC debe caer en el rango de 1ms a 30 ms. Es decir, en el circuito (a) el producto (R1+R2)C1 debe estar entre 1 ms y 30 ms, del mismo modo la doble constante de tiempo del circuito (b) (R1+R2)C1 y R3C2 SCR Rcarga R1 V1 R2 50 % C1 R3 D1 SCR Rcarga R1 V1 R2 50 % C1 R3 D1 C2 (a) (b)
  • 18. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA CIRCUITO CON DISPOSITIVO DE TRANSICIÓN CONDUCTIVA • Los circuitos de control de compuerta vistos hasta el momento presentan algunas desventajas: • Dependencia de la temperatura. • Comportamiento de disparo inconstante entre SCR del mismo tipo. • Para eliminar esas desventajas se utiliza el diodo de cuatro capas, conocido también como Diac.
  • 19. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA CIRCUITO CON DISPOSITIVO DE TRANSICIÓN CONDUCTIVA • El Diac proporciona constancia de comportamiento de disparo y reduce la dependencia del circuito de la temperatura. • Existen otros dispositivos utilizados para realizar esta misma función con el SCR: • El Interruptor Unilateral de Silicio (SUS). • El Interruptor Bilateral del Silicio. • El Transistor Mono Unión (UJT) SCR Rcarga R1 V1 R2 50 % C1 DIAC
  • 20. CIRCUITOS DE CONTROL DE COMPUERTA CIRCUITO CON DISPOSITIVO DE TRANSICIÓN CONDUCTIVA • Voltajes de transición conductiva de diversos modelos de DIAC.
  • 21. SCR EN CIRCUITOS DC • Un SCR utilizado en un circuito de CD, el apagado automático no ocurre, debido a que el voltaje de alimentación no cruza por cero. • Se deben utilizar otros métodos para detener la corriente principal en las terminales del SCR; es decir, reducirla por debajo de la corriente de sostenimiento (IHO)
  • 22. APLICACIONES CON EL SCR 1. Un interruptor estático. 2. Un sistema de control de fase. 3. Un cargador de baterías. 4. Un controlador de temperatura. 5. Sistema de iluminación de emergencia con una sola fuente.
  • 23. TRIODO DE CORRIENTE ALTERNA (TRIAC) • Un TRIAC es un dispositivo de tres terminales usado para controlar la corriente promedio que fluye a una carga, en cualquier dirección, cuando está en ENCENDIDO.
  • 24. TRIAC: TEORÍA Y OPERACIÓN • Cuando el TRIAC está APAGADO, no fluye corriente entre las terminales principales sin importar la polaridad del voltaje aplicado externamente. En consecuencia el TRIAC actúa como un interruptor abierto. • Cuando el TRIAC está ENCENDIDO, existe una ruta de flujo de corriente de baja resistencia de una terminal hacia la otra, con la dirección del flujo dependiendo de la polaridad del voltaje externamente aplicado. • Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1. Cuando el voltaje es más positivo en MT1, la corriente fluye de MT1 a MT2. En cualquier caso el TRIAC actúa como un interruptor cerrado.
  • 25. TRIAC: TEORÍA Y OPERACIÓN • Un TRIAC se coloca en serie con la carga justo como un SCR. • La corriente promedio suministrada a la carga se puede variar mediante el cambio de la cantidad de tiempo por ciclo que el TRIAC permanece en su estado ENCENDIDO. • Un TRIAC no está limitado a 180° de conducción por ciclo. Con la distribución de disparo apropiada, puede conducir durante 360° completos por ciclo. • Los TRIAC tienen las siguientes ventajas sobre los interruptores mecánicos: No tienen rebote de contacto, no forman arcos a través de contactos parcialmente abiertos, y operan mucho más rápido que los conmutadores mecánicos, por tanto producen un control de corriente más preciso.
  • 26. TRIAC: FORMAS DE ONDAS • Esta forma de onda muestra el TRIAC APAGADO durante los primeros 30° de cada medio ciclo; durante estos 30° el TRIAC actúa como un interruptor abierto. • La parte del medio ciclo durante el cual esta situación existe se denomina ángulo de retardo de disparo, similar a un SCR.
  • 27. TRIAC: FORMAS DE ONDAS • Después de que han transcurrido 30°, el TRIAC se dispara, y se vuelve como un interruptor cerrado. • En este instante el TRIAC comienza a conducir corriente a través de sus terminales principales y de la carga. • La parte del medio ciclo durante la cual el TRIAC se enciende se denomina ángulo de conducción. El ángulo de conducción en la figura es de 150°.
  • 28. TRIAC: FORMAS DE ONDAS • Esta figura muestra las mismas formas de onda pero con con un ángulo de retardo de disparo más amplio • El ángulo de retardo es de 120° y el ángulo de conducción es de 60°. • Dado que la corriente fluye durante una menor parte del ciclo total en este caso, la corriente promedio será menor que lo que fue para la condición anterior. • Por tanto, se transfiere menos potencia de la fuente a la carga.
  • 29. TRIAC: FORMAS DE ONDAS • Los TRIAC, como los SCR y como la mayoría de los demás dispositivos semiconductores, muestran variaciones notoriamente amplias en sus características eléctricas. • Este problema es en especial evidente con los TRIAC debido a que a menudo sucede que los requerimientos de disparo son distintos para las dos polaridades diferentes de voltaje de alimentación. • Esta forma de onda de TRIAC muestra un ángulo de retardo más pequeño en el medio ciclo positivo que en el medio ciclo negativo, debido a la tendencia del TRIAC de dispararse más fácilmente en el medio ciclo positivo.
  • 30. TRIAC: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS • Cuando un TRIAC está polarizado con un voltaje externo más positivo en MT2 (llamada polarización de terminal principal directa o positiva), por lo general se activa mediante un flujo de corriente de la compuerta hacia MT1. • La terminal G es positiva con respecto a MT1, lo que ocasiona que la corriente de disparo fluya hacia el interior del dispositivo en la terminal de compuerta y hacia fuera del dispositivo en la terminal MT1. • El voltaje y la corriente de compuerta necesario para disparar un TRIAC se simboliza como VGT e IGT. La mayoría de los TRIAC de tamaño medio tienen un VGT aproximado de 0.6 a 2.0 V y una IGT de 0.1 a 20 mA.
  • 31. TRIAC: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS • Cuando el TRIAC está polarizado más positivamente en MT1 (llamada polarización inversa o negativa de terminal principal) el disparo se logra enviando la corriente de compuerta al interior del TRIAC en la terminal MT1 y fuera del TRIAC en la terminal G. • El voltaje de compuerta será negativo con respecto a MT1 • Al igual que un SCR, un TRIAC no requiere una corriente de compuerta continua una vez que ha sido disparado.
  • 32. TRIAC: CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Otras características eléctricas del TRIAC: • La corriente rms de terminal principal máxima permitida (ITrms). • Para muchos fabricantes la secuencia disponible de valores nominales ITrms es 1, 3, 6 , 10, 15 y 25 A. • El voltaje de rompimiento (VDROM) • Es el voltaje pico de terminal principal más alto que el TRIAC puede bloquear en cualquier dirección. • El TRIAC debe tener un valor nominal VDROM mayor que el voltaje pico del voltaje CA que acciona el circuito. • Los valores nominales más populares de VDROM para los TRIAC son 100, 200, 400 y 600 V. • Voltaje de estado encendido a través de las terminales principales (VTM) • Por lo general este valor oscila entre 1 y 2 V.
  • 33. TRIAC: MÉTODOS DE DISPARO Circuito simple RC de control de compuerta TRIAC Rcarga R1 V1 120Vrms 60Hz 0° R2 50 % C1 R3 El ritmo de carga del capacitor C se establece por medio de R2. Para una R2 grande, la velocidad de carga es lenta, lo que produce un retardo de disparo largo y una corriente de carga promedio pequeña. Para una R2 pequeña, la velocidad de carga es rápida, el ángulo de retardo de disparo es pequeño y la corriente de carga es alta.
  • 34. TRIAC: MÉTODOS DE DISPARO Circuito RC de control de compuerta mejorado Como se aplicaba a los circuitos disparadores de SCR, una sola red RC no puede retardar mucho el disparo de TRIAC después de 90°. Para establecer un ajuste más amplio del rango del ángulo de retardo, la doble red RC mostrado en la figura se utiliza a menudo. TRIAC Rcarga R1 V1 120Vrms 60Hz 0° R2 50 % C1 R3 C2 R4
  • 35. TRIAC: APLICACIONES • Como control de intensidad de iluminación. • Control de velocidad de motores a baja potencia. • Control de encendido y apagado de motores a baja potencia. • Control de electrodomésticos. • Control de temperatura, control de iluminación, control de fase, interruptor AC de potencia, otros.
  • 36. TRIAC: HOJA DE DATOS TÉCNICOS • TRIAC BT136-600E. • TRIAC TG35F.
  • 37. TRIAC: CONTROL DE POTENCIA EN AC Esquemático que describe el control de una lámpara de 120 VAC mediante un TRIAC BT136-600. TRIAC BT136-600 R1 50Ω MOC 3021 1 Vs 120Vrms 60Hz 0° Lámpara 120 VAC 2 6 4 ESP32 23 GND R2 470Ω
  • 38. TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO) • Puede activarse mediante la aplicación de una señal positiva de compuerta (pulso positivo corto); sin embargo, se puede desactivar por una señal negativa de compuerta (pulso negativo corto). • Es un dispositivo de enganche, por lo que se puede construir con especificaciones de corriente y voltaje similar a las de un SCR.
  • 39. TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO) VENTAJAS DEL GTO SOBRE EL SCR • Eliminación de los componentes auxiliares en la conmutación forzada, que da como resultado una reducción de costo, peso y volumen. • Reducción del ruido acústico y electromagnético debido a la eliminación de bobinas de inducción en la conmutación. • Una desactivación más rápida, que permite frecuencias de conmutación más altas. • Una eficiencia mejorada de los inversores
  • 40. TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO) VENTAJAS DEL GTO SOBRE EL TRANSISTOR • Mayor capacidad de voltaje de bloqueo. • Relación alta de corriente pico controlable a corriente promedio. • Una relación alta de corriente de pulsación pico a corriente promedio, típicamente 10:1 • Alta ganancia en estado activo (corriente de ánodo entre corriente de compuerta) típicamente 600. • Una señal de compuerta pulsada de corta duración.
  • 41. TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO) OTRAS CARACTERÍSTICAS DE GTO • El voltaje en estado activo de un GTO de 550 A 1200 V es entre 3 y 4 V. • La corriente pico en estado activo controlable ITGQ es el pico de la corriente activa que puede desconectarse por control de compuerta. • El voltaje en estado desactivado de un GTO se reaplica en forma inmediata después de la desactivación y el dv/dt reaplicado se limita únicamente a la capacitancia del circuito de frenado.
  • 42. TIRISTOR DESACTIVADO POR COMPUERTA (GTO) GTO 160 PFT Diseñado para control de potencia, como: • UPS • Controlador de velocidad variable de motores AC. • 160 A de corriente promedio. • Máximo tiempo de apagado de 8 µseg.
  • 43. RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO ACTIVADOS POR LUZ CARACTERÍSTICAS DEL LASCR • Se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio sensible a la luz. • Con la luz incidente crea los pares huecos que producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. • La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes de luz práctica como el LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt.
  • 44. (a) Construcción básica de un LASCR (b) Símbolos de un LASCR RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO ACTIVADO POR LUZ
  • 45. RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO ACTIVADOS POR LUZ CARACTERÍSTICAS DEL LASCR • Se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente: • Transmisión de CD de alto voltaje (HVDC). • Compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivo (VAR). • Provee de un total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertido de potencia, que flota a un potencia tan alto como unos cuantos cientos de Kilovoltios. • Pueden llegar a especificaciones de voltaje de 4,000 voltios a 1500 amperios, con una potencia de disparo luminosa de menos de 100 mV.
  • 46. TIRISTOR CONTROLADO POR FET CARACTERÍSTICAS DEL FET-CTH • Estos dispositivos combinan un MOSFET y un tiristor en paralelo. • Si la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, (3V), se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. • Tiene una alta velocidad de conmutación, un dv/dt alto y un di/dt alto. • Se puede activar por compuerta, pero no es posible desactivarlo por este mismo método. • Se utiliza cuando es necesario un aislamiento óptico entre la señal de control y el dispositivo convertidor de potencia.
  • 47. TIRISTOR CONTROLADO POR MOS (MCT) CARACTERÍSTICAS DEL MOS • Combina las características de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuertas MOS.
  • 48. TIRISTOR CONTROLADO POR MOS (MCT) CARACTERÍSTICAS DEL MOS • Este dispositivo puede operar como dispositivo operado por compuerta, si su corriente es menor que su corriente controlable pico. • Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico, puede provocar la destrucción del dispositivo. • Para valores mas altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estándar.
  • 49. CIRCUITOS DE EXITACIÓN DEL TIRISTOR • Los Tiristores solo requieren de una corriente de puerta momentánea para poner el dispositivo en conducción. • Los niveles de tensión de un circuito con tiristor pueden ser muy elevados, lo que requiere un aislamiento entre el circuito de excitación y el dispositivo. • Este aislamiento eléctrico se consigue mediante un acoplamiento magnético u óptico. Circuito de excitación de tiristor acoplado magnéticamente.
  • 50. CIRCUITOS DE EXITACIÓN DEL TIRISTOR • El circuito de excitación de puerta simple mostrado en el esquema se puede utilizar en aplicaciones donde no se requiere aislamiento eléctrico. • .El circuito es un controlador de tensión monofásico, similar a un regulador de intensidad luminosa comercial. • El Triac se podría cambiar por un SCR, para formar un rectificador controlado de media onda. • El ángulo de retardo se controla por medio del circuito RC y cuando el valor de la tensión en el Diac llega a un valor especificado, comienza a conducir y dispara al Triac. Circuito de excitación R- C simple con Diac, para un Triac.
  • 51. CIRCUITOS DE PRTECCIÓN PARA EL TIRISTOR • El objeto de un circuito de protección para un Tiristor, es proteger el dispositivo de las elevadas velocidades de variación de la tensión ánodo- cátodo y de la corriente de ánodo. • Si dv/dt en el Tiristor es demasiado grande, el dispositivo comienza a conducir sin que haya una señal de puerta. • Si di/dt es demasiado elevada durante la entrada de conducción, habrá un calentamiento en el Tiristor. • La inductancia serie en un circuito de protección, limita el valor di/dt y la conexión R-C paralelo limita el dv/dt. Circuito de protección de un Tiristor
  • 52. DISPOSITIVOS UTILIZADOS PARA DISPARAR TIRISTORES • Interruptor bilateral de silicio (SBS): Dispositivo utilizado para disparar el TRIAC. • Interruptor unilateral de silicio (SUS): Dispositivo utilizado para disparar tiristores de forma unidireccional (El SCR como ejemplo). • Transistor de Uni Juntura (UJT): Dispositivo utilizado para disparar el TRIAC. • Diodo para corriente alterna (Diac): Dispositivo utilizado para disparar el TRIAC.
  • 53. CONSIDERACIONES FINALES DE LOS TIRISTORES • Hay 13 tipos de tiristores. Solamente los GTO, SITH, MTO, ETO, IGCT y MCT son dispositivos apagados por compuerta. • Cada tipo tiene sus ventajas y sus desventajas. • Las características de los tiristores prácticos difieren significativamente de las de los dispositivos ideales. • Aunque hay varias formas de encender tiristores, el control de compuerta es el más práctico. • Debido a las capacitancias de unión y el límite de encendido, los tiristores deben estar protegidos contra fallas por di/dt y dv/dt altas. • Por lo común se utiliza una red amortiguadora como protección contra dv/dt alta.
  • 54. CONSIDERACIONES FINALES DE LOS TIRISTORES • Debido a la carga recuperada, parte de energía se almacena en la di/dt y en los inductores parásitos; los dispositivos deben estar protegidos contra esta energía almacenada. • Las pérdidas por conmutación de los GTO son mucho más altas que las de los SCR normales. • Los componentes amortiguadores de los GTO son críticos para su desempeño. • Se necesita una forma de aislamiento entre el circuito de potencia y los circuitos de compuerta. • El aislamiento con un transformador de pulsos es sencillo pero efectivo. • Para cargas inductivas, un tren de pulsos reduce la pérdida del tiristor y normalmente se utiliza para controlar tiristores en lugar de un pulso continuo.